Leggi della termodinamica

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spalle di giganti.

Il leggi della termodinamica sono un termine grandioso spesso usato nelle discussioni suscienza, pseudoscienza e generale corteggiare . Nonostante siano esse stesse leggi scientifiche, sono spesso citate da pseudoscienziati (ad es.creazionisti) come motivo per cui alcunialtroun po 'di scienza deve essere sbagliata. Il classico esempio di questo è ' Evoluzione deve essere sbagliato in quanto viola le leggi della termodinamica '. Oltre ad essereironico, di solito lo sono anche tali affermazioni cazzate .

La termodinamica come soggetto ha avuto origine nelRivoluzione industriale, più o meno come un modo peringegneriper capire come funzionavano i motori a vapore e come renderli più efficienti. Da allora si è sviluppato e generalizzato in un rigorosomatematicoTrattamento di energia eentropia, ed è una parte fondamentale dei corsi di scienze comefisicaechimica.

Ci sono tre 'leggi' della termodinamica ('leggi' nel senso che descrivono come i sistemi fisici 'devono' comportarsi), e anche una legge 'zero', che non è veramente una legge quanto una definizione di ciò che è significa 'temperatura'.

  • Legge zero della termodinamica : 'Quando due sistemi sono in equilibrio termico con un serbatoio, sono in equilibrio termico l'uno con l'altro.'
  • Prima legge della termodinamica : 'L'energia totale di Universo è costante. '
  • Seconda legge della termodinamica : 'L'entropia di un sistema isolato non diminuisce.'
  • Terza legge della termodinamica : 'Quando la temperatura di un cristallo perfetto si avvicina allo zero, la sua entropia si avvicina a una costante.'

Le leggi 1, 2 e 3 possono essere riassunte in modo umoristico in forma non scientifica come:

  1. Non puoi ottenere qualcosa per niente.
  2. Non puoi nemmeno rompere anche se non raffreddi la temperaturazero Assoluto.
  3. È impossibile effettivamente raggiungere lo zero assoluto.

Oppure, se sei un giocatore di poker:

  1. Non puoi vincere.
  2. Non puoi andare in pareggio.
  3. Non puoi uscire dal gioco.

Contenuti

La legge zero

Il legge zero della termodinamica afferma che 'se due sistemi sono in equilibrio termico con un serbatoio, allora sono in equilibrio termico l'uno con l'altro'. Significa che l'equilibrio termico è una relazione transitiva. Non è possibile avere tre sistemi, A, B e C, dove A è in equilibrio con B e B in equilibrio con C, ma A ènonin equilibrio con C. Se ciò fosse possibile, collegando periodicamente i sistemi A e C tramite un motore termico si creerebbe amacchina a moto perpetuo.



La legge zero è una specie di gioco da ragazzi ed era ovviamente nota prima che venissero descritte la prima, la seconda e la terza legge della termodinamica. La necessità di formularla come legge formale è sorta dopo che le altre leggi erano state stabilite, quindi è stata chiamata la legge zero in modo backronym-ish. In effetti, probabilmente non è affatto una 'legge', ma più solo una definizione di cosa si intende per 'temperatura'.

La prima legge

Il prima legge della termodinamica è che non si parla di termodinamica afferma che l'energia totale del universo è costante. È un'espressione della legge di conservazione di energia ; l'energia non può essere creata o distrutta, cambia solo forma come con la materia che diventa energia o viceversa. Per dirla semplicemente, non puoi creare energia o materia, cambia semplicemente la sua disposizione. E come per tutti gli altrileggi della termodinamica, si applica solo a un sistema chiuso.

Relazione con la religione

Questa legge viene spesso sollevata dagli apologeti quando cercano di smentire la teoria del Big Bang , di solito in argomento dalla prima causa modulo. Essi scegli di ignorare due fatti chiave, tuttavia:

  • La teoria del big bang non significa necessariamente che l'universo sia venuto dal nulla
  • La prima legge rende anche impossibile qualsiasi evento di creazione, perché, per definizione, crea qualcosa dal nulla.

Quando si parla di questo, gli apologeti di solito si arrabbiano o inizianoschivando la domandacercando di spiegare come è Dio oltre le leggi della fisica .

Relazione con il moto perpetuo

Vedi l'articolo principale su questo argomento: Moto perpetuo

La prima legge della termodinamica, insieme allaseconda legge, è il motivo principale per cui il moto perpetuo non funziona. Poiché la macchina non può creare alcuna nuova energia da sola e la seconda legge degrada l'energia che ha, la macchina alla fine smetterà di funzionare. I sostenitori del moto perpetuo spesso troveranno una varietà piuttosto ampia di ragioni per spiegare perché non è così, che vanno dai magneti ai 'cristalli temporali'.

Relazione con il corteggiamento

Non sorprende che la prima legge fornisca anche un enorme elenco di Nuova era idee impossibili. Questi includono, ma non sono limitati a:

e

  • Telecinesi

La seconda legge

Niente nella vita è certo tranne la morte, le tasse e la seconda legge della termodinamica.
—Seth Lloyd

Il seconda legge della termodinamica afferma che 'l'entropia di un sistema isolato non diminuisce'. Questo è spesso interpretato nel senso che 'il disturbo aumenta sempre' ed è spesso interpretato male. Un altro modo per definirlo è 'la capacità di un sistema isolato di svolgere il lavoro diminuisce nel tempo'. La seconda legge fornisce la freccia termodinamica del tempo in quanto si può dire la differenza tra passato e futuro guardando la quantità di entropia nel sistema chiuso.

Spiegazione dei termini

Sistemi termodinamici

  • Sistema aperto - Scambia materia ed energia con l'ambiente circostante
  • Sistema chiuso: scambia energia, ma non importa, con l'ambiente circostante
  • Sistema isolato - Non scambia né energia né materia con l'ambiente circostante

Il Universo è un sistema isolato poiché è un termine per descrivere l'interospazio tempocontinuum, inclusi tutti i file energia memorizzato in esso. Nel realtà , l'Universo è considerato l'unico vero sistema isolato, comePerfettol'isolamento su scala minore è impossibile. IlTerrapuò essere visto come un sistema approssimativamente chiuso, sebbene in realtà sia aperto.

Sebbene possa essere possibile che l'universo non sia veramente un sistema isolato (come in alcune forme dimultiversospeculazione o teoria M), non esiste un modo noto per verificarlo e quindi può essere considerato un sistema isolato a tutti gli effetti. Se così non fosse, tuttavia, avrebbe senza dubbio un effetto significativo sul destino finale dell'universo.

Entropia

A rigor di termini, l'entropia è il logaritmo della molteplicità degli stati, o il grado di dispersione dell'energia in un sistema. È espresso dall'equazione, dove S è entropia, kBè la costante di Boltzmann e Ω è la molteplicità degli stati.

Una definizione più comune di entropia è 'grado di disordine nel sistema', e quindi la seconda legge della termodinamica viene spesso spiegata come 'i sistemi diventano sempre più disordinati'. Dalla definizione sopra, ciò equivale a dire che un sistema tenderà a passare da insiemi di stati meno probabili a più probabili.

In realtà, l'entropia è un po 'più astratta e la seconda legge della termodinamica implica che l'Universo diventerà sempre più uniforme; cioè, il calore (trasferimento di energia in un modo diverso dal lavoro) si diffonderà fino a quando l'intero universo avrà la stessa temperatura e livello di energia (tra i sistemi a contatto termico, il calore si trasferisce sempre dal sistema a una temperatura più alta a quello a temperatura inferiore fino al raggiungimento dell'equilibrio) e le forze continueranno a funzionare fino a quando non sarà stato raggiunto un equilibrio universale.

In altre parole, si vede che tutto in un sistema isolato lavora per raggiungere uno stato di equilibrio o equilibrio. Una volta raggiunto l'equilibrio universale, non ci sarà alcuna base per sostenere o realizzare alcun lavoro; ergo le forze in un sistema isolato diventeranno sedentarie e non verrà svolto alcun lavoro.

La semplice analogia fisica comunemente data è che, dato un periodo di tempo, una stanza diventerà più disordinata (le cose vengono distribuite uniformemente in tutta la stanza invece di essere concentrate in una pila ordinata) fintanto che una persona ci vive ma non fa alcuno sforzo per pulirlo. Nel mondo fisico, tutte le forme di energia vengono convertite in energia termica e vengono distribuite in modo più uniforme nell'Universo, finché l'universo non diventa energeticamente uniforme. Nel suo stato finale l'Universo diventerà uno spazio uniforme in cui nessun lavoro può essere svolto poiché l'energia non può essere 'concentrata' facendo il lavoro. Questo stato è chiamato massima entropia. Quando l'universo ha raggiunto la massima entropia, si dice che sia completamente 'disordinato' poiché non sono rimasti schemi ordinati e non c'è modo di accertare informazioni sulla storia dell'universo.

In realtà, invece di trovarsi in uno stato di completo disordine al raggiungimento della massima entropia, l'Universo si è invece omogeneizzato e divenuto più uniforme. In termini molto semplici, massimo disordine di entropia, capito? È su una base simile a questa che gli educatori scientifici hanno riconosciuto che la terminologia del disturbo, sebbene semplice e facile da comprendere, è una semplificazione eccessiva e fuorviante falsa analogia al peggio. Di conseguenza, gli insegnanti di scienze hanno in gran parte eliminato la terminologia di 'disordine'; maggior partechimicai libri di testo, ad esempio, hanno rimosso (o almeno pesantemente modificato) la terminologia del disturbo. Di estrema importanza, l'entropia è un fenomeno energetico e solo tangenzialmente ha a che fare con la distribuzione diimportain un sistema. (Statisticamenteparlando, ilmolecoledi un gas è improbabile che si sposti su un lato di un contenitore senza che venga eseguito il lavoro sul gas. Ma lavorare sul gas aumenterebbe l'entropia dell'universo, poiché lo stantuffo, o qualunque cosa faccia la compressione, dovrebbe aumentare la sua entropia.)

La Seconda Legge è una legge della meccanica statistica, piuttosto che una legge fondamentale della natura. Di conseguenza, violarlo non è del tutto impossibile; tuttavia, la sua violazione è estremamente improbabile. Ma poiché la sua violazione non è impossibile, ma solo estremamente improbabile, risulta che per periodi di tempo estremamente lunghi, alla fine potrebbe verificarsi una violazione. Ad esempio, un sistema classico che esibisce la seconda legge della termodinamica su intervalli di tempo ragionevoli può tuttavia violare la legge nel tempo nell'ordine del suo tempo di ricorrenza di Poincaré - quando si verifica la ricorrenza di Poincaré, l'entropia del sistema diminuirà al suo valore originale. Tuttavia, dato il tempo di ricorrenza di Poincaré sarà molto più lungo dell'età dell'Universo fino ad ora, questa è una considerazione puramente teorica. Inoltre, dato ogni istanza in cui un macrostato diminuisce in entropia, ci sarà un numero astronomicamente elevato di altre istanze dello stesso macrostato in aumento di entropia. Inoltre, la Seconda Legge si applica ai sistemi su larga scala; date due molecole, è improbabile che quella con energia vibratoria inferiore impartisca parte della sua energia a quella con maggiore, ma a differenza dei sistemi su larga scala, rimane una possibilità considerevole e, dato il gran numero di molecole, è garantita accadere occasionalmente.

Applicazione errata da parte dei creazionisti

La falsa analogia dell'entropia come disordine viene utilizzata in numerosi campi al di fuori della scienza con successo variabile.Creazionistihanno raccolto la terminologia del disordine come un uomo che sta annegando a una corda e hanno tentato di applicare la seconda legge della termodinamica come una confutazione di Evoluzione . L'analogia affermerebbe che le forme di vita più complesse non potrebbero mai evolversi da quelle più semplici.

Sembra ovvio che questa falsa analogia di una falsa analogia non sia corretta. In primo luogo, la Terra non è un sistema isolato: riceve un'abbondante quantità di energia in entrata dalSole. In secondo luogo, l'evoluzione non implica che la vita stia diventando sempre più complessa; dice solo quelloselezione naturalepermettegeniessere trasmessa in modo differenziato, in modo tale che le caratteristiche delle forme di vita cambino nel tempo in risposta al loro ambiente.

È anche una corruzione credere che la vita sia sempre 'più ordinata' degli oggetti inanimati. In effetti, la vita non viola la seconda legge della termodinamica in senso stretto energetico. L'energia del sole viene convertita in energia potenziale chimica, che viene convertita in lavoro meccanico o calore (poiché, ancora una volta, la Terra non è un sistema isolato). In ogni caso, il trasferimento di energia è inefficiente e una parte di energia viene dissipata come calore nell'ambiente, portando a una dispersione di energia. Allo stesso modo, i fiocchi di neve 'ordinati' possono formarsi quando il tempo diventa freddo ma l'entropia dell'universo aumenta ancora.

Victor J. Stenger , un fisico teorico, ha confutato questa affermazione creazionista:

Tuttavia, un trasmettitore e un ricevitore sono due sistemi interagenti. Non sono isolati individualmente. Quindi, l'entropia persa da un sistema può essere acquisita dall'altro. Oppure, in modo equivalente, le informazioni perse da uno possono essere acquisite dall'altro. Quindi un sistema fisico, come un organismo biologico o la Terra stessa, che riceve energia dal sole, può diventare più ordinato tramite processi puramente naturali.

Una citazione in riferimento all'educazione chimica illustra questo punto:

Un aspetto dei sistemi biologici che intriga gli studenti è la possibilità di scoprire violazioni delle ben note leggi della termodinamica e della chimica fisica. È facile confutare la maggior parte degli esempi suggeriti. Un seme che germina o un embrione che si sviluppa in un uovo di gallina fecondato sono spesso citati ingenuamente come esempi di sistemi isolati in cui si verifica spontaneamente un aumento dell'ordine o una diminuzione dell'entropia. È evidente, tuttavia, che la respirazione, assumendoODueè presente, produce un aumento dell'entropia sotto forma di calore, che più che compensa la diminuzione dell'entropia che si verifica quando gli elementi presenti nel seme o nel tuorlo dell'uovo si organizzano nei tessuti della pianta o dell'animale. Infatti, né la germinazione né lo sviluppo embrionale avverranno in assenza di ossigeno nel sistema in questione.

In riferimento all'evoluzione, PZ Myers mettilo: 'La seconda legge dell'argomento della termodinamica è una delle affermazioni più banali e sciocche della collezione creazionista. È auto-confutarsi. Indica il creazionista: chiedi se una volta era un bambino. È cresciuto? È diventato più grande e più complesso? Non è lui stesso a violare la seconda legge? Chiedigli che regredisca immediatamente a una pozzanghera viscida di mestruazioni e sperma mescolati.

Inoltre, Carl Sagan ha sottolineato che se la seconda legge della termodinamica fosse applicata a a Dio , allora dio dovrebbe necessariamente morire.

(Breve quiz sulla termodinamica: quante leggi generalmente riconosciute della termodinamica ci sono? Conosciamo la seconda legge: fornisci i numeri per le altre leggi.)

Supponiamo che ci fosse effettivamente qualche processo in natura che violava la seconda legge della termodinamica. È questo un motivo per supporlodesigner intelligentisono responsabili? Gli unici designer intelligenti con cui abbiamo familiarità diretta, gli esseri umani e altri animali più o meno intelligenti sono soggetti alla seconda legge della termodinamica quanto lo sono gli agenti non intelligenti. In effetti, le leggi della termodinamica furono scoperte come limiti a ciò che gli ingegneri intelligenti del 19 ° secolo erano in grado di progettare. I progettisti intelligenti non sono in grado di costruire moto perpetuo macchine. I progettisti intelligenti non aggirano la seconda legge della termodinamica.

(Vedi anche, I Simpson: 'Lisa! In questa casa obbediamo alle leggi della termodinamica! ')

Alcuni giovani creazionisti della Terra hanno invocato l'``ordinamento idrodinamico '' inIl diluvio di Noèper tenere conto dell'organizzazione delfossiledisco. In tal modo riconoscono implicitamente che un processo meccanico non orientato è in grado di produrre ordine dal disordine e contraddicono la loro versione ingenua della seconda legge della termodinamica.

L'entropia può essere invertita?

DATI INSUFFICIENTI PER UNA RISPOSTA SIGNIFICATIVA

Ma seriamente, come abbiamo detto più avanti, lo ètecnicamentepossibile che l'entropia diminuisca spontaneamente, poiché è una legge statistica e non una legge di natura indistruttibile. Si prevede che tali inversioni si verifichino principalmente su piccola scala e saranno abbastanza rare da non accadere per un periodo di almeno diverse centinaia di migliaia di volte l'attuale età dell'universo ... ma l'eternità è un tempo infernale, e quando il l'universo raggiunge uno stato energetico sufficientemente basso affinché gli effetti quantistici abbiano un effetto a livello su larga scala una singola fluttuazione quantistica potrebbe essere sufficiente per iniziare un nuovo Big Bang (in circa 10 ^ 10 ^ 56 anni, che è un sacco di tempo ).

Fonti

  • Fisica per scienziati e ingegneri(6a edizione) Raymond A. Serway e John W. Jewett, Jr.
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